各主要海軍國家設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)之評(píng)述

張曉陽，劉建湖，潘建強(qiáng)，何 斌

（1哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

各主要海軍國家設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)之評(píng)述

張曉陽1，劉建湖2，潘建強(qiáng)2，何 斌2

（1哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

一個(gè)國家海軍艦艇的抗沖擊能力的強(qiáng)弱，不但與艦船抗沖擊技術(shù)相關(guān)的研究能力、設(shè)計(jì)能力和試驗(yàn)?zāi)芰γ芮邢嚓P(guān)，而且決定于其所采用的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)的高低和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格程度。文中重點(diǎn)分析了美國、英國、德國和俄羅斯的設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，并將這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定量比較。可供工程應(yīng)用作參考。

設(shè)備；抗沖擊；標(biāo)準(zhǔn)；評(píng)述

1 引 言

艦船設(shè)備和系統(tǒng)的抗沖擊能力是決定艦船戰(zhàn)時(shí)生命力強(qiáng)弱的重要環(huán)節(jié)，艦船在非接觸爆炸條件下的破壞主要為設(shè)備系統(tǒng)的失效。而艦船在戰(zhàn)斗中遇到的大量的攻擊為非接觸爆炸，所以艦船設(shè)備的抗沖擊能力是艦船整體抗沖擊能力的重要指標(biāo)。為此各海軍強(qiáng)國均制訂了艦船設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范艦船設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收等全過程，以提高艦船抗非接觸爆炸的能力。

20世紀(jì)50年代以前，艦船設(shè)備的抗沖擊計(jì)算以靜力方法計(jì)算，沖擊輸入條件為等效靜載荷，設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)的加速度在垂向、橫向和縱向分別為15 g、9 g、6 g所對(duì)應(yīng)的等效靜載荷[1]。20世紀(jì)60年代開始用階躍速度進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，沖擊輸入條件為階躍速度的幅值。70年代開始用設(shè)計(jì)沖擊譜作為輸入條件進(jìn)行DDAM方法計(jì)算。為了得到設(shè)備設(shè)計(jì)與考核的輸入條件，一些海軍強(qiáng)國進(jìn)行了大量的實(shí)船爆炸試驗(yàn)，結(jié)合抗沖擊設(shè)計(jì)計(jì)算方法和失效判據(jù)，提出了用于設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)的輸入沖擊譜，其量值隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展不斷地提高。同時(shí)，為模擬實(shí)船沖擊環(huán)境，考核裝艦設(shè)備抗沖擊能力，設(shè)計(jì)了專門的船用設(shè)備沖擊試驗(yàn)考核裝置，如輕型沖擊機(jī)、中型沖擊機(jī)、浮動(dòng)沖擊平臺(tái)和潛艇立體試驗(yàn)艙段等?？傮w而言，西方海軍強(qiáng)國業(yè)已建立了一套比較完整的艦船及其設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)和考核的技術(shù)體系。然而在艦船設(shè)備抗沖擊領(lǐng)域一直存在下列疑問：美軍標(biāo)與德國BV043標(biāo)準(zhǔn)所要求的指標(biāo)孰高孰低？不同國家制訂的軍用標(biāo)準(zhǔn)的抗沖擊要求是否一致？抗沖擊要求體系是否協(xié)調(diào)？本文將試圖通過分析美國、英國、德國和俄羅斯的設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)回答這些問題。

2 各國艦船設(shè)備抗沖擊體系概述

2.1 試驗(yàn)體系概述

Bishop（1993）對(duì)幾個(gè)西方主要海軍國家的艦船水下爆炸沖擊考核的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面的調(diào)研[2]。美國、英國、德國、荷蘭和法國屬于同一個(gè)沖擊考核體系—全面實(shí)戰(zhàn)模擬考核體系。美國為實(shí)戰(zhàn)模擬考核體系的主要代表，首制艦必需進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)，考核的水下爆炸藥量從100 kg到20 t不等；設(shè)備的沖擊考核從小于100 kg的輕型設(shè)備到181 t的重型設(shè)備，分4種不同的重量等級(jí)，在不同的沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。潛艇和水面艦的重型設(shè)備在不同的沖擊平臺(tái)上考核，重量大于181 t的設(shè)備僅按設(shè)計(jì)沖擊譜的要求設(shè)計(jì)，進(jìn)行計(jì)算考核。英國擁有專門的大型設(shè)備爆炸試驗(yàn)駁船，300 t重量以下的設(shè)備都可以進(jìn)行試驗(yàn)考核。荷蘭、德國和法國的試驗(yàn)設(shè)施也類似。瑞典的海軍艦船的沖擊考核屬于另一個(gè)體系—典型試驗(yàn)考核體系。每一型號(hào)首制艦的水下爆炸考核只進(jìn)行了100 kg黑索金藥量的考核，裝艦設(shè)備只對(duì)重量小于2 000 kg的在落臺(tái)沖擊機(jī)上進(jìn)行考核，其它設(shè)備根據(jù)其在艦船上所處的位置以及它的抗沖擊等級(jí)按設(shè)計(jì)沖擊譜設(shè)計(jì)，配合進(jìn)行小型的縮比模型試驗(yàn)和關(guān)鍵部件的試驗(yàn)。雖然試驗(yàn)不如實(shí)戰(zhàn)模擬體系考核得真實(shí)，但經(jīng)濟(jì)性好。目前這兩個(gè)體系有相互交融的趨勢(shì)。俄羅斯、韓國、日本、巴西和印度也基本上采用實(shí)戰(zhàn)模擬體系。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算方法概述

設(shè)備的抗沖擊設(shè)計(jì)經(jīng)歷了等效靜態(tài)法，動(dòng)力設(shè)計(jì)分析方法（又稱彈性沖擊法）和實(shí)時(shí)模擬法三個(gè)階段。

等效靜態(tài)方法（又稱沖擊設(shè)計(jì)因子法）是將動(dòng)載荷等價(jià)為一定數(shù)量的靜載荷，用靜態(tài)的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核，通常用15倍的靜載作為校核載荷。該方法沒有考慮設(shè)備的高頻響應(yīng)與一階低頻響應(yīng)的差異，實(shí)際上只校核了一階低頻響應(yīng)的強(qiáng)度。這樣，當(dāng)一階響應(yīng)是設(shè)備的主要破壞因素時(shí)，采用等效靜載方法具有很高的精確度，當(dāng)高頻破壞是設(shè)備的主要破壞因素時(shí)，等效靜載法并不適合。為了克服等效靜載法的不足，動(dòng)力設(shè)計(jì)分析方法（Dynamic Design Analysis Method，DDAM）應(yīng)運(yùn)而生（Scavuzzo，2000）[3]。該方法是建立在模態(tài)分析理論的基礎(chǔ)上，設(shè)備的輸入載荷是沖擊譜。DDAM方法可以分析高階的破壞模式，但它仍然具有很大的局限性。第一、只能分析線彈性安裝的設(shè)備；第二、只能分析設(shè)備的線彈性破壞；第三、不能考慮沖擊載荷在設(shè)備中的瞬態(tài)波動(dòng)效應(yīng)；第四、不能考慮鄰近設(shè)備和船體對(duì)沖擊輸入的影響。鑒于上述原因，實(shí)時(shí)模擬法就成了替代DDAM的分析方法，它采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線作為設(shè)備的輸入載荷，對(duì)設(shè)備在時(shí)間域上進(jìn)行瞬態(tài)分析，分析設(shè)備是否能正常工作。目前雖然DDAM法仍然被大多數(shù)國家作為艦船設(shè)備的主要設(shè)計(jì)方法，但實(shí)時(shí)模擬法正成為發(fā)展的趨勢(shì)。Shaw（1994）在分析水下爆炸沖擊作用下雷達(dá)天線桅桿動(dòng)響應(yīng)時(shí)采用了實(shí)時(shí)模擬法。目前也常用初始速度和典型速度曲線作為設(shè)備沖擊輸入[4]。

2.3 各類抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范概述

認(rèn)識(shí)到艦船抗爆的極端重要性，特別是荷蘭、美國和法國等國家從英國海軍在馬島戰(zhàn)爭(zhēng)中的損失，注意到現(xiàn)役艦船的抗爆能力不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的要求，曾暫時(shí)凍結(jié)了原來的海軍裝備發(fā)展計(jì)劃，紛紛制訂了新的艦船設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。裝艦設(shè)備的破壞標(biāo)準(zhǔn)在不同的國家有不同的要求，但所有的海軍強(qiáng)國都要求裝艦設(shè)備必須通過沖擊考核方能上船，并要求對(duì)首制艦進(jìn)行實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)考核。具有代表性的為聯(lián)邦德國1985年頒布的BV043/85和美國1989年頒布的MIL-S-901D。BV新標(biāo)準(zhǔn)大幅度提高了艦船及其設(shè)備的抗沖擊要求，MIL新標(biāo)準(zhǔn)要求重量小于181 t的裝艦設(shè)備都要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)考核，潛艇上的重型設(shè)備還要求在水下沖擊平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)考核（Scavuzzo，2000）。水下沖擊平臺(tái)不但能考核垂向沖擊，而且可以考核任意方向的沖擊。為了適應(yīng)提高了的設(shè)備沖擊考核的要求，近年來各國都對(duì)中型沖擊機(jī)的性能作了改進(jìn)，荷蘭的沖擊機(jī)（Hijkoop，1993）不再采用錘擊法產(chǎn)生基礎(chǔ)沖擊加速度，而是采用燃燒產(chǎn)生的高壓氣體產(chǎn)生沖擊加速度，這樣速度的建立時(shí)間比較短，載荷的波形可調(diào)[5]。美國也在原來的中型沖擊機(jī)加裝調(diào)頻安裝系統(tǒng)（Cox，Shin 和 McLean，1993；Flynn，Shin 和 McLean，1994），使其在某些所要求的頻率上產(chǎn)生更大沖擊輸入。法國的中型沖擊機(jī)也具有可調(diào)頻的功能，并可產(chǎn)生負(fù)半正弦波形（Duong，Barthelemy，1994）。為了預(yù)報(bào)艦船的易損性，北大西洋公約組織對(duì)所有主要的裝艦設(shè)備進(jìn)行了大量的沖擊試驗(yàn)，得到了它們?cè)诓煌瑳_擊條件下的破壞概率數(shù)據(jù)庫（Greenhorn，1989），為艦船的易損性預(yù)報(bào)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，目前世界主要海軍國家的試驗(yàn)考核體系基本上是以實(shí)戰(zhàn)模擬為主，但在具體的指標(biāo)和試驗(yàn)方法上還是有差異，有必要進(jìn)行分析比較。

3 英國沖擊標(biāo)準(zhǔn)與美國標(biāo)準(zhǔn)的比較

RNBASP1274/76是1976年由英國皇家海軍建造局提出的艦船沖擊設(shè)計(jì)手冊(cè)。該標(biāo)準(zhǔn)比美國的MIL-S-901C晚約15年，但比MIL-S-901D早13年。

在編制該手冊(cè)前，英國對(duì)各種海軍艦船作過大量實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)資料的分析，已經(jīng)取得了描述作為設(shè)備抗沖擊設(shè)計(jì)依據(jù)的各種沖擊運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)表達(dá)式。該標(biāo)準(zhǔn)既適用于設(shè)計(jì)，也適用于試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)中既可以采用頻域計(jì)算方法，也可以采用時(shí)域計(jì)算方法，具有廣泛的適用性。

通過對(duì)各種艦船在水下爆炸作用下動(dòng)響應(yīng)資料的歸納總結(jié)，其將沖擊運(yùn)動(dòng)具體規(guī)定為7個(gè)環(huán)境等級(jí)，對(duì)應(yīng)水面艦艇和潛艇不同部位安裝設(shè)備的沖擊環(huán)境。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備安裝基礎(chǔ)處船體部位的沖擊環(huán)境要求。

3.1 英國標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形函數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)沖擊波形如圖1所示，分兩段描述。

式中：B為爆炸引起的船體沉降運(yùn)動(dòng)速度；T2為沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間；μ為阻尼系數(shù)；Vm為最大速度。一些常數(shù)的取值見表 1，其中 Vm、T1和 T2針對(duì)不同的沖擊等級(jí)、沖擊方向和設(shè)備的自身剛度條件情況從RNBASP1274/76中查取。

英國沖擊標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)分為 A、B、C、D、E、F、G 七個(gè)等級(jí)，其中 A、B、C、D 四個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)于水面艦艇，有垂向和橫向沖擊環(huán)境，還對(duì)剛性設(shè)備進(jìn)行修正。沖擊的嚴(yán)酷度從A至D依次下降，分別對(duì)應(yīng)殼板安裝、外板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和艙壁安裝、甲板安裝和上層建筑安裝。E、F和G三個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)潛艇的設(shè)備沖擊環(huán)境，E級(jí)為潛艇殼板安裝設(shè)備的沖擊環(huán)境，F(xiàn)級(jí)為殼板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和艙壁安裝設(shè)備的沖擊環(huán)境，G級(jí)為甲板安裝設(shè)備的沖擊環(huán)境。NSS1與NSS2分別對(duì)應(yīng)水面艦軍輔船1級(jí)和2級(jí)抗沖擊等級(jí)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)沖擊速度脈沖波形Fig.1 The standard figure of pulse relativing to shock velocity

表1 常數(shù)取值Tab.1 Values of some constant parameters

表2為英國艦船設(shè)備抗沖擊指標(biāo)體系，與船型、安裝位置和設(shè)備重量都有密切的關(guān)系。A級(jí)沖擊等級(jí)是英國艦船中抗沖擊等級(jí)最高級(jí)別，其垂向加速度、速度和位移時(shí)程曲線見圖2～4，其沖擊譜曲線見圖5。最大加速度735 g，最大位移7 cm。

表2 英國設(shè)備沖擊環(huán)境的數(shù)據(jù)匯集Tab.2 The data collection of equipments’shock environments of England

圖2 A級(jí)垂向加速度時(shí)程曲線Fig.2 The acceleration in vertical direction curve relativing to time of grade A items

圖3 A級(jí)垂向速度時(shí)程曲線Fig.3 The velocity in vertical direction curve relativing to time of grade A items

圖4 A級(jí)垂向位移時(shí)程曲線Fig.4 The displacement in vertical direction curve relativing to time of grade A items

圖5 A級(jí)垂向沖擊譜Fig.5 The shock spectrum in vertical direction curve of grade A items

3.2 美國設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)

圖6為美國901系列標(biāo)準(zhǔn)中輕型沖擊機(jī)（LWSM，Light Weight Shock Machine）和中型沖擊機(jī)（MWSM，Medium Weight Shock Machine）安裝板（架）上的沖擊環(huán)境[6]。對(duì)于輕型設(shè)備（質(zhì)量小于 120 kg），其三個(gè)方向上的沖擊環(huán)境都差不多，所以只有一根沖擊譜線，其最大譜位移為4 cm,最大譜速度4.6 m/s，最大譜加速度2 000 g。中重量設(shè)備（120 kg＜m＜2 700 kg）的沖擊試驗(yàn)考核設(shè)備中型沖擊機(jī)的沖擊譜，最大譜位移為8 cm,最大譜速度3.3 m/s，最大譜加速度200 g。橫向沖擊環(huán)境為垂向的0.5倍。圖7為重量設(shè)備（30 000 kg＞m＞2 700 kg）的沖擊試驗(yàn)考核設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)（FSP，F(xiàn)loating Shock Platform）的三向沖擊譜圖，低頻段的位移量非常大，該平臺(tái)可作為半正弦沖擊的等效沖擊譜發(fā)生器。不同方向的沖擊譜有非常大的差異，垂向沖擊最強(qiáng)，橫向次之，艏艉方向最小。圖8為大重量設(shè)備（181 000 kg＞m＞30 000 kg）的沖擊試驗(yàn)考核設(shè)備大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)（LFSP，Large Floating Shock Platform）的三向沖擊譜圖，基本規(guī)律與標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)一致。不同方向的沖擊譜有非常大的差異，垂向沖擊最強(qiáng)，橫向次之，艏艉方向最小。所以現(xiàn)行的MIL-S-901標(biāo)準(zhǔn)為針對(duì)水面艦設(shè)備的沖擊考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于潛艇設(shè)備不十分合適，橫向沖擊力度不夠，需要開發(fā)專用的潛艇設(shè)備沖擊試驗(yàn)考核裝置。美國和俄羅斯以及荷蘭都有專門的橫向沖擊考核平臺(tái)。

圖6 美國的標(biāo)準(zhǔn)輕型沖擊機(jī)和中型沖擊機(jī)砧臺(tái)（板）的沖擊譜Fig.6 The shock spectrum of the anvil plate equipped in the LWSM and MWSM of USA

圖7 美國標(biāo)準(zhǔn)浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)底板的沖擊譜曲線Fig.7 The shock spectrum curve of the inner soleplate equipped in the FSP of USA

圖8 美國大型浮動(dòng)沖擊平臺(tái)內(nèi)底板的沖擊譜曲線Fig.8 The shock spectrum curve of the inner soleplate equipped in the LFSP of USA

從響應(yīng)譜曲線上來看，似乎美國的裝艦設(shè)備的試驗(yàn)考核強(qiáng)度不如英國的標(biāo)準(zhǔn)高，因?yàn)槊绹鴺?biāo)準(zhǔn)與英國標(biāo)準(zhǔn)以及后面要講到的德國BV標(biāo)準(zhǔn)不一樣，沖擊環(huán)境計(jì)量所取的基準(zhǔn)點(diǎn)為船體結(jié)構(gòu)，不含基座結(jié)構(gòu)，而基座結(jié)構(gòu)在與設(shè)備組成的系統(tǒng)一階固有頻率處會(huì)放大沖擊響應(yīng)，對(duì)于剛性安裝設(shè)備，MIL-S-901規(guī)定其一階安裝頻率在50～70 Hz之間。圖9為典型的中型沖擊機(jī)設(shè)備安裝基礎(chǔ)處的沖擊響應(yīng)譜，我們可以看到，在55 Hz安裝頻率處，其最大譜速度達(dá)到10 m/s以上。

圖9 典型的中型沖擊機(jī)設(shè)備安裝基礎(chǔ)處的沖擊響應(yīng)譜Fig.9 The shock spectrum curve of equipment foundation in the MWSM

從圖5和圖9的比較可以看到，在對(duì)圖5的沖擊譜曲線進(jìn)行折減后，在低頻段（約＜10 Hz），美國標(biāo)準(zhǔn)的位移譜值比英國標(biāo)準(zhǔn)高；在10～30 Hz區(qū)間，英國標(biāo)準(zhǔn)的譜值高；在50～80 Hz區(qū)間，譜值相當(dāng)，美國的譜值略高；在100 Hz以上的高頻段，英國標(biāo)準(zhǔn)譜值高。該頻段的沖擊譜通常不是設(shè)備破壞的主要載荷頻段，尤其在頻率高于200 Hz以后。

另外通過比較美國和英國的標(biāo)準(zhǔn)，還可以得出下列差異：

（1）英國的標(biāo)準(zhǔn)體系比較復(fù)雜，但更合理，不同船型、不同部位采用不同設(shè)計(jì)和試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)。而美國在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于不同的部位和不同的船型采用不同的設(shè)計(jì)值，但在試驗(yàn)考核時(shí)，不考慮安裝部位的差異。在標(biāo)準(zhǔn)中也不考慮船型的差異。由于美國建有多個(gè)潛艇設(shè)備水下爆炸試驗(yàn)考核艙段，所以，在具體實(shí)施過程中，估計(jì)會(huì)對(duì)潛艇設(shè)備還有專門的試驗(yàn)考核方法；

（2）美國的所有裝艦設(shè)備的試驗(yàn)考核的強(qiáng)度均與英國A級(jí)設(shè)備的試驗(yàn)考核強(qiáng)度相當(dāng)，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，美國的裝艦設(shè)備的抗沖擊強(qiáng)度更高；

（3）對(duì)于低頻安裝設(shè)備，美國標(biāo)準(zhǔn)的要求更高；

（4）對(duì)于上層甲板或上層建筑內(nèi)安裝的設(shè)備，美國標(biāo)準(zhǔn)的考核強(qiáng)度偏低，所以美國目前已經(jīng)研制成功設(shè)備沖擊考核的調(diào)頻裝置，提高15～30 Hz之間考核沖擊譜的量值。

4 美國標(biāo)準(zhǔn)與德國BV043/85標(biāo)準(zhǔn)比較

我們所熟悉的聯(lián)邦德國的設(shè)備沖擊標(biāo)準(zhǔn)為BV043，最早的為1973版本，后來出了1985年修訂版本[7-8]?；谟R島戰(zhàn)爭(zhēng)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，沖擊環(huán)境有較大幅度的提高。通過努力，關(guān)于聯(lián)邦德國設(shè)備沖擊環(huán)境的數(shù)據(jù)，僅能得到某水面艦船沖擊環(huán)境的兩張圖，其為水面艦船中大于2 000 t戰(zhàn)斗艦船的設(shè)備沖擊環(huán)境。經(jīng)分析共有三種安裝區(qū)域：即I、II和III，分別對(duì)應(yīng)船殼機(jī)座和主甲板以下隔艙壁、下甲板和主甲板隔壁、上層建筑。I號(hào)安裝區(qū)域沖擊烈度最強(qiáng)，加速度幅值大，持續(xù)時(shí)間短。II號(hào)安裝區(qū)域?yàn)榧装灏惭b，沖擊烈度中等。III號(hào)安裝區(qū)域的沖擊加速度最小，但位移最大。

時(shí)域的沖擊加速度可以為雙三角形和雙半正弦形式，雙三角形加速度數(shù)據(jù)的形式如圖10所示。通常存在下列關(guān)系：

圖10 雙三角形時(shí)域曲線Fig.10 The double triangle curve relativing to time of shock acceleration

表3為BV043/85規(guī)范中最為嚴(yán)酷的沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，從表中看到，底板上橫向和垂向沖擊加速度和速度相差不十分懸殊，但位移相差比較大。甲板和上層建筑的垂向和橫向沖擊環(huán)境的加速度、速度和位移都相差比較大。

表3 BV043/85規(guī)范中部分沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)Tab.3 Some data of equipments’shock environments in criterion BV043/85

表4 BV043/85規(guī)范中部分沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)（沖擊譜）Tab.4 Some data of equipments’shock environments in criterion BV043/85(shock spectrum)

圖11至圖13分別為垂向沖擊的加速度、速度和位移，圖14至圖16分別為橫向沖擊加速度、速度和位移。圖17和圖18分別為垂向和橫向的不同區(qū)域的沖擊譜。從圖中看到，沖擊譜與英國的標(biāo)準(zhǔn)具有相同的形式，沒有明顯的等速度段，沖擊速度與BV043/73標(biāo)準(zhǔn)相比有較大幅度的提高。區(qū)域I的沖擊環(huán)境與英國B修正級(jí)差不多，區(qū)域II與C修正級(jí)相當(dāng)，區(qū)域III與D修正級(jí)相當(dāng)，但位移量比英國的標(biāo)準(zhǔn)沖擊環(huán)境大。

圖11 垂向加速度時(shí)程曲線Fig.11 The acceleration in vertical direction curve relativing to time

圖12 垂向速度時(shí)程曲線Fig.12 The velocity in vertical direction curve relativing to time

圖13 垂向位移時(shí)程曲線Fig.13 The displacement in vertical direction curve relativing to time

圖14 橫向加速度時(shí)程曲線Fig.14 The acceleration in horizontal direction curve relativing to time

圖15 橫向速度時(shí)程曲線Fig.15 The velocity in horizontal direction curve relativing to time

圖16 橫向位移時(shí)程曲線Fig.16 The displacement in horizontal direction curve relativing to time

圖17 聯(lián)邦德國艦船設(shè)備垂向沖擊環(huán)境要求（大于2 000 t）Fig.17 Request of Shock environments in vertical direction of the equipments equipped in vessel of Germany(weight＞2 000 t)

圖18 聯(lián)邦德國艦船設(shè)備橫向沖擊環(huán)境要求（大于2 000 t）Fig.18 Request of Shock environments in horizontal direction of the equipments equipped in vessel of Germany(weight＞2 000 t)

5 與俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的比較

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于艦用設(shè)備進(jìn)行考核時(shí)根據(jù)重量將設(shè)備分為兩種類型，分別為輕型設(shè)備和重型設(shè)備。輕型設(shè)備的重量為小于200 kg（含200 kg），重型設(shè)備的重量為大于200 kg。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于輕型設(shè)備的考核采用標(biāo)準(zhǔn)的沖擊機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)錘高進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，按設(shè)備的抗沖擊能力分成兩級(jí)，分別為I級(jí)和II級(jí)，對(duì)于抗沖擊能力為I級(jí)的設(shè)備需在不安裝減振器條件下滿足考核條件，試驗(yàn)時(shí)擺錘高度為1.5 m，三個(gè)互相垂直的方向各沖擊一次；抗沖擊能力為II級(jí)的設(shè)備可在安裝減振器條件下滿足考核條件，試驗(yàn)時(shí)擺錘高度為0.5 m，三個(gè)互相垂直的方向各沖擊一次。對(duì)于輕型設(shè)備的考核，在試驗(yàn)實(shí)施、采用的考核方法等方面和美軍標(biāo)基本一致，但沖擊環(huán)境的嚴(yán)酷度要低一些。

對(duì)于重型設(shè)備的沖擊環(huán)境時(shí)域波形根據(jù)設(shè)備的不同部位采用不同的波形，共分三種波形：

（1）脈沖E。幅值和持續(xù)時(shí)間均相同的兩個(gè)半正弦波，該沖擊環(huán)境針對(duì)設(shè)備的安裝基礎(chǔ)。首先根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量和安裝頻率確定沖擊載荷幅值，脈沖E幅值（g）和設(shè)備質(zhì)量（kg）呈冪函數(shù)關(guān)系，設(shè)系數(shù)為A，冪指數(shù)為B。表5列出了不同安裝頻率條件下的系數(shù)和指數(shù)值。然后根據(jù)設(shè)備的沖擊加速度確定脈沖E的持續(xù)時(shí)間。脈沖E幅值和持續(xù)時(shí)間呈指數(shù)衰減關(guān)系，設(shè)y為脈沖E幅值，單位為g；T為脈沖E半正弦波持續(xù)時(shí)間，單位為ms，公式為y=164.2e-0.0445T，根據(jù)確定的沖擊載荷幅值和持續(xù)時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行考核。表6列出了設(shè)備在船上不同安裝部位的沖擊載荷幅值。安裝位置1表示無舷側(cè)構(gòu)件的船底安裝，安裝位置2表示外板安裝，安裝位置3表示甲板、平臺(tái)和上層建筑以上安裝，安裝位置4表示主縱艙壁中上部。表7列出了典型設(shè)備重量的脈沖E幅值、持續(xù)時(shí)間及積分后的速度、位移峰值。在剛性、60 Hz及10 Hz處的加速度值相當(dāng)于基礎(chǔ)沖擊環(huán)境的低、中及高頻段譜值。

表5 不同安裝頻率條件下系數(shù)和指數(shù)值Tab.5 Values of coefficient and exponential in vary equipped frequency

表6 脈沖E沖擊載荷取值Tab.6 Values of shock load of pulse E

表7 典型設(shè)備垂向沖擊環(huán)境值（時(shí)域曲線）Tab.7 Values of shock environment in vertical direction of the typical equipments(time region)

續(xù)表7

（2）脈沖K。幅值和持續(xù)時(shí)間均不相同的兩個(gè)半正弦波，該沖擊環(huán)境針對(duì)設(shè)備的安裝基礎(chǔ)，脈沖K僅給出一種加速度波形，且不分安裝部位，說明俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于垂向和橫向的沖擊環(huán)境是一致的。圖19為基礎(chǔ)沖擊載荷的加速度、速度和位移時(shí)程曲線，圖20為沖擊譜曲線。

圖19 設(shè)備基座時(shí)域加速度、速度和位移曲線Fig.19 The acceleration,velocity and displacement curve relativing to time of equipment foundation

（3）脈沖F。一個(gè)半正弦波脈沖，脈沖幅值和持續(xù)時(shí)間確定和脈沖E一致，該沖擊環(huán)境也針對(duì)設(shè)備本身。

從以上可以看出俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和其它標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別有：

（1）脈沖E和脈沖F的沖擊環(huán)境適用于設(shè)備是剛性或單層線彈性安裝的考核，脈沖K的沖擊環(huán)境適用于設(shè)備是非線性或多層線性安裝的考核；

（2）脈沖E給出了設(shè)備不同安裝頻率條件下的沖擊譜譜值（設(shè)備安裝基礎(chǔ)處），對(duì)于中型和重型設(shè)備，和美國的標(biāo)準(zhǔn)考核的剛性、60 Hz和10 Hz處譜值比較，低頻段10 Hz處譜值基本相當(dāng)，中頻段和高頻段譜值均比美國標(biāo)準(zhǔn)要低；

圖20 設(shè)備基座沖擊譜Fig.20 Shock spectrum curve of equipment foundation

（3）脈沖K僅給出了一個(gè)唯一的設(shè)備安裝基座的沖擊譜，不考慮和設(shè)備質(zhì)量的折減關(guān)系，不考慮不同安裝部位的差異，也不考慮不同沖擊方向的差異，譜值設(shè)置的技術(shù)性較差。低頻段譜位移為5 cm，中頻段譜速度為2 m/s，高頻段譜加速度為110 g，較美國標(biāo)準(zhǔn)譜值要小。

6 結(jié) 論

通過對(duì)美國、英國、德國和俄羅斯設(shè)備沖擊標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)述分析可以得到如下結(jié)論：

（1）美國裝艦設(shè)備的抗沖擊試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)與德國和英國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相比，公布的沖擊譜值取值點(diǎn)不同，美國取在基座根部，英國和德國取在設(shè)備安裝基礎(chǔ)處。如果取相同點(diǎn)進(jìn)行比較，則在中頻段基本相當(dāng)，在低頻段美國的高于德國和英國的標(biāo)準(zhǔn)，在高頻段相當(dāng)。美國標(biāo)準(zhǔn)雖然不盡合理，但最為嚴(yán)格，試驗(yàn)考核的可操作性強(qiáng)；

（2）英國與德國的標(biāo)準(zhǔn)相類似，設(shè)備的抗沖擊類別劃分比較細(xì)，抗沖擊要求比較合理，但試驗(yàn)考核的技術(shù)性較強(qiáng)，操作性差一些；從沖擊譜上看，英國標(biāo)準(zhǔn)比德國標(biāo)準(zhǔn)要求更高；

（3）俄羅斯的標(biāo)準(zhǔn)既有對(duì)設(shè)備的抗沖擊指標(biāo)提加速度要求，類似于BV043/73，也有提設(shè)備安裝基礎(chǔ)處沖擊環(huán)境要求的，對(duì)于不同的設(shè)備用不同的指標(biāo)。

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Review on anti-shock criteria for equipments in some primary navy countries

ZHANG Xiao-yang1,LIU Jian-hu2,PAN Jian-qiang2,HE Bin2

(1 College of Ship Building Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;
2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Navy vessel’s anti-shock ability in one country,not only lies on abilities of research,design and test relativing to vessel’s anti-shock technique,but also lies on adoptive anti-shock criteria and their implementation.This paper analyzes mainly that anti-shock criteria for equipments in USA,England,Germany and Russia,and compares quantificationally these criteria.The results are useful for engineering application.

equipment;anti-shock;criterion;review

U662.1

A

1007-7294（2011）11-1322-13

2011-06-07

張曉陽（1979-），男，工程師，哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院博士生；劉建湖（19639-），男，中國船舶科學(xué)研究中心研究員。